基于單片機的濕度顯示器設(shè)計方案

1 基于單片機的濕度顯示器設(shè)計方案 第 1 章 緒論 課程設(shè)計背景 概述 進(jìn)入 21 世紀(jì)后，各行各業(yè)特別是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)都急切需要應(yīng)用電子技術(shù)、自動控制技術(shù)進(jìn)行改造和提升很多企業(yè)對溫濕度的測控手段很粗糙，十分落后，絕大多數(shù)仍在使用濕球濕度計，采用人工觀測人工調(diào)節(jié)閥門、風(fēng)機的方法，很少有人使用溫濕度傳感器。 隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，工業(yè)及電器行業(yè)對溫濕度的要求的提高，溫濕度傳感器的應(yīng)用范圍也越來越加廣泛。 本 課程設(shè)計的內(nèi)容 在本次課程設(shè)計中，為實現(xiàn)對溫濕度的檢測與顯示，主要利用以 核心構(gòu)架硬件電 路， 濕度傳感器采集環(huán)境溫度及濕度信息， (溫度檢測范圍： +55 。測量精度： 2 .；濕度檢測范圍： 20%H。檢測精度： 5% 顯示方式： 溫度：四位顯示；濕度：四位顯示 )；同時利用 C 語言編程實現(xiàn)溫濕度信息的顯示功能。 本課程設(shè)計的意義 最近幾年來，隨著科技的飛速發(fā)展，單片機領(lǐng)域正在不斷的走向社會各個角落，還帶動傳統(tǒng)控制檢測日新月 異更新。在實時運作和自動控制的單片機應(yīng)用到系統(tǒng)中，單片機如今是作為一個核心部件來使用，僅掌握單片機方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)其具體硬件結(jié)構(gòu)，以及針對具體應(yīng)用對象特點的軟件結(jié)合，加以完善?！皢纹瑱C原理及應(yīng)用課程設(shè)計”是電子類專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)科，它是繼“匯編語言程序設(shè)計”，“接口技術(shù)”等課程之后開出的實踐環(huán)節(jié)課程。 現(xiàn)代社會越來越多的場所會涉及到溫度與濕度并將其顯示。 由于溫度與濕度不管是從物理量本身還是在實際人們的生活中都有著密切的關(guān)系， 例 如 ： 冬天溫度為 18 至25 ，濕度為 30%至 80%；夏天溫度為 23 至 28 ， 濕度為 30%至 60%。在此范圍內(nèi)感到舒適的人占 95%以上。在裝有空調(diào)的室內(nèi)，室溫為 19 至 24 ，濕度為 40%至 50%時，人會感到最舒適。如果考慮到溫、濕度對人思維活動的影響，最適宜的室溫度應(yīng)是工作效 2 率高。 18 ，濕度應(yīng)是 40%至 60%，此時，人的精神狀態(tài)好，思維最敏捷。 所以，本課程設(shè)計就是通過單片機驅(qū)動 晶顯示溫濕度，通過此設(shè)計，可以發(fā)現(xiàn)本設(shè)計有一定的擴展性，而且可以作為其他有關(guān)設(shè)計的基礎(chǔ)。 3 第 2 章 系統(tǒng)設(shè)計方案及硬件設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計方案 本方案使用 為控制核心，一 直能溫濕度傳感器 為溫濕度測量元件，顯示電路采用 塊顯示，采用單片機最小系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖如下圖 2 圖 2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖 系統(tǒng)硬件介紹 紹 美國 司生產(chǎn)的低電壓，高性能 單片機，片內(nèi)含 4 128隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ 可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 由于器件采用了 靜態(tài)設(shè)計，可提供很寬的操作頻率范圍，頻率可降至 0。 可實現(xiàn)兩個由軟件選擇的節(jié)電模式，空閑模式和掉電模式，空閑模式凍結(jié) 時器，串口和中斷系統(tǒng)仍然工作 ， 掉電模式保存 內(nèi)容 ， 但是凍結(jié)振蕩器導(dǎo)致所有其它的片內(nèi)功能停止工作。由于設(shè)計是靜態(tài)的時鐘可停止而不會丟失用戶數(shù)據(jù) ， 運行可從時鐘停止處恢復(fù) 。 制作工藝為 用 40 管腳雙列直插 裝，引腳說明如下： 電電壓。 片 機 晶顯示 濕度傳感器數(shù)據(jù)采集 時鐘復(fù)位電路 4 地。 ： 為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8電流。當(dāng) 的管 腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入 。 夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 程時， 作為原碼輸入口，當(dāng) 行校驗時， 出原碼，此時 部必須被拉高。 ： 是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 緩沖器能接收輸出4電流。 管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， 被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 程和校驗時， 作為第八位地址接收。 ： 為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙 向 I/O 口， 緩沖器可接收，輸出 4個 電流，當(dāng) 被寫 “1” 時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， 的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 6 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， 輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， 輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 在 程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 ： 管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可 接收輸出 4 個 電流。當(dāng) 寫入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， 將輸出電流（ 是由于上拉的緣故。 也可作為 一些特殊功能口，如下所示： 行輸入口） ； 行輸出口） ； 部中斷 0） ； 部中斷 1） ； 0（記時器 0 外部輸入） ； 1（記時器 1 外部輸入） ； 部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） ； 部 數(shù)據(jù)存儲器讀選通） ； 同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 兩個機器周期的高電平時間。 訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， 以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 沖。如想禁止 輸出可在 址上 置 0。此時， 有在執(zhí)行 令是 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) 止，置位無效。 /部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /號將不出現(xiàn)。 / /持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /內(nèi)部鎖定為 /保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲 器。在 程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ 向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 自反向振蕩器的輸出。 圖 2單片機 腳圖 工作模式： 89四種工作模式：模式 0，模式 1，模式 2，模式 3。 模式 0：選擇定時器的高 8 位和 低 5 位組成一個 13 位定時器 /計數(shù)器。 5 位溢出時向 位， 出時向中斷標(biāo)志位 位，并 申請中斷。 定時時間 t=(213 振蕩周期 12； 計數(shù)長度位 213=8192 個外部脈沖 。 模式 1：與模式 0 的唯一差別是寄存器 全部 16 位參與操作。定時時間t=(216 振蕩周期 12；計數(shù)長度位 216=65536 個外部脈沖 。 6 模式 2：把 置成一個自動重裝載的 8 位定時器 /計數(shù)器。 作 8位計數(shù)器， 以保存初值 。 數(shù)溢出時不僅使 1，而且還自動將 的內(nèi)容重新裝載到 。 定時時間 t=(28 振蕩周期 12；計數(shù)長度位 28=256 個外部脈沖 。 模式 3：對 大相同 。 若設(shè) 模式 3， 分為兩個相互獨立的 8 位計數(shù)器。 8 位計數(shù)器，功能與模式 0 和模式 1 相同，可定時可計數(shù)。 用作簡單的內(nèi)部定時功能，它占用了定時器 控制位 中斷標(biāo)志位動和關(guān)閉僅受 制。 定時器 工作模式 3，但 工作模式 3 時 可設(shè)置為 02。 字傳感器介紹 字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高 的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 溫元件，并與一個高性能 8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個 感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在 存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20 米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式 可根據(jù)用戶需求而提供。 四個引腳， 3 號引腳一般懸空，如圖 2示。 供電電壓為3 傳 感器上電后 ， 要等待 1s 以越 過 不穩(wěn) 定 狀態(tài) 在 此期 間 無需發(fā)送任何指令 。 電源引 腳（ 之間可增加一 個 100電容，用以去耦濾波。 建議連接線長度短于 20 米時用 5K 上拉電阻 ,大于 20 米時根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻。 圖 2腳圖 7 紹 1602為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為 背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中 并無差別 。 主要技術(shù)參數(shù)： 1、 顯示容量 :162 個字符 2、 芯片工作電壓 :、 工作電流 :4、 模塊最佳工作電壓 :、 字符尺寸 :WH )腳功能說明 用標(biāo)準(zhǔn)的 14 腳（無背光）或 16 腳（帶背光）接口 ，引腳功能如下表 2 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 源地 9 據(jù) 2 源正極 10 據(jù) 3 晶顯示偏壓 11 據(jù) 4 據(jù) /命令選擇 12 據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 據(jù) 6 E 使能信號 14 據(jù) 7 據(jù) 15 光源正極 8 據(jù) 16 光源負(fù)極 表 2腳接口說明表 第 1 腳： 地電源。 第 2 腳： 5V 正電源。 第 3 腳： 液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生 “ 鬼影 ” ，使用時可以通過一個 10K 的電位器調(diào)整對比度。 第 4 腳： 寄存器選擇，高電平時選擇 數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。 8 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng) ，當(dāng) 低電平 R/W 為高電平時可以讀忙信號，當(dāng) 高電平 R/W 為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。 第 6 腳： E 端為使能端，當(dāng) E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 第 7 14 腳： 8 位雙向數(shù)據(jù)線。 第 15 腳：背光源正極。 第 16 腳：背光源負(fù)極。 令說明及時序： 1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令， 如下表 2示。 1602 液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明： 1 為高電平、 0為低電平） 序號 指令 * 3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 顯示開 /關(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光標(biāo)或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 F * * 7 置字符發(fā)生存貯器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存貯器地址 8 置數(shù)據(jù)存貯器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存貯器地址 9 讀忙標(biāo)志或地址 0 1 數(shù)器地址 10 寫數(shù)到 1 0 要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容 11 從 1 1 讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容 表 2制命令表 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置。 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H。 9 指令 3： 光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動方向，高電 平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。 指令 4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。 指令 5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。 指令 6：功能設(shè)置命令 電平時為 4 位總線，低電平時為 8 位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示 5電平時顯示 5陣字符。 指令 7： 字符發(fā)生器 址設(shè)置。 指令 8： 址設(shè)置。 指令 9： 讀忙信號和光標(biāo)地址 忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。 指令 10：寫數(shù)據(jù)。 指令 11：讀數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)部分硬件電路設(shè)計介紹 主控制電路的設(shè)計 列 單片機 是采用高性能的靜態(tài) 89計由先進(jìn) 藝制造并帶有 非易失性序存儲器全部支 持 12 時鐘和 6 時鐘操作 48別包含 128字節(jié)和 256 字節(jié) 2 條 I/O 口線 3 個 16 位定時 /計數(shù)器 6 輸 入 4 優(yōu)先級嵌套中斷結(jié)構(gòu) 1 個串行I/O 口可用于多機通信 I/O 擴展或全雙工 及片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 。 電路如圖 2示： 10 圖 2主控制電路圖 溫濕度檢電路的設(shè)計 供電電壓為 3 傳 感器上電后 ， 要等待 1s 以越 過 不穩(wěn) 定 狀態(tài) 在 此期 間 無需發(fā)送任何指令 。 電路如圖 2示 ： 11 圖 2溫濕度采集電路 系統(tǒng)時鐘電路的設(shè)計 時鐘電路是用來產(chǎn)生 89片機工作時所必須的時鐘信號， 89身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現(xiàn)， 89唯一的時鐘信號的控制下嚴(yán)格的按時序執(zhí)行 指令進(jìn)行工作，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘由于兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘。 我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號。 89部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為 們跨接在晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容，便構(gòu)成了一個自激勵振蕩器。 電路中的 選擇在 30右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率為在 12間，頻率越高單片機的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度 穩(wěn)定性好的 容，采用的晶振頻率為 12鐘電路如圖 2示： 圖 2時鐘復(fù)位電路 12 晶顯示電路的設(shè)計 顯示模塊選用 1602 字符型液晶模塊，是目前工控系統(tǒng)中使用最為廣泛的液晶屏之一， 1602 字符型液晶模塊是點陣型液晶，驅(qū)動方便，經(jīng)編碼后顯示內(nèi)容多樣化。系統(tǒng)的輸入模塊采用中斷掃描的 44 矩陣鍵盤，相比定時掃描方式，提高了 使用效率。 同時 1602 液晶顯示模塊可以和單片機 接接口 。 電路圖 如圖 2示。 圖 2路圖 13 第 3 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)程序主要包括主程序、 塊控制程序、 制模塊程序、延時子程序，整體程序見附錄 2。 系統(tǒng)軟件主程序流程 程序開始后，先對液晶模塊顯示進(jìn)行初始化，通過延時一秒等待 濕度傳感器啟動。 濕度傳感器啟動后，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化后，進(jìn)行溫濕度信息的采集、轉(zhuǎn)化、處理，最后通過液晶顯示器讀出。 濕度傳感器經(jīng)過一次數(shù)據(jù)采集和處理后需返回次延時程序處理來重新初始化后采集溫濕度數(shù)據(jù)。具體流程圖如圖3示： 圖 3系統(tǒng)主程序流程圖 液 晶 模 塊 初 始 化延 時W h i l e （ 1 ）D H T 1 1 初 始 化D H T 1 1 溫 濕 度 轉(zhuǎn) 化讀 取 溫 濕 度 值溫 濕 度 處 理溫 濕 度 值 顯 示結(jié) 束開 始 14 據(jù)采集流程 主程序里主要的一部分是數(shù)據(jù)采集和顯示的循環(huán)部分，其中 濕度傳感器有嚴(yán)格的時序要求，程序一定要遵守按照其與主機通信的步驟。其溫濕度數(shù)據(jù)采集流程圖如下圖 3示： 始化機顯示部分，在程序中應(yīng)先對顯示器 進(jìn)行初始化，然后循環(huán)調(diào)用 塊采集的數(shù)據(jù)對溫度和濕度進(jìn)行實時顯示。其 始化機顯示流程圖如下圖 3示： 圖 3 15 圖 3始化顯示流程圖 16 結(jié)論 微型計算機在智能化電器發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，而單片機經(jīng)濟實用、開發(fā)簡便，因而在工業(yè)控制、家電智能化等領(lǐng)域占據(jù)了廣泛的市場。本次設(shè)計是基于單片機的溫濕度檢測及顯示的設(shè)計包括硬件電路和軟件編程兩部分。 在硬件選擇方面，猶豫采用溫濕度傳感器 電路鏈接更加方便，并且容易讀數(shù)，簡化了設(shè)計。顯示電路比較了 后，發(fā)現(xiàn) 示的信息量較少，外接電路復(fù)雜且耗電量 大，而 好彌補了 缺點，所以選擇了用 連接顯示電路。 在軟件編程方面，初次完成的程序十分復(fù)雜，在很多方面聯(lián)系不上，我在網(wǎng)上查找了很多的資料，也看了一些教學(xué)視頻，來不斷的完善程序。而且通過和同學(xué)、老師的交流討論，我學(xué)到了很多編程方面的技巧和思想，同時也精簡了部分程序。 17 參考文獻(xiàn) 1 何立民 應(yīng)用與設(shè)計 M北京航空航天大學(xué)出版社 ,2002. 2 徐愛鈞 51 M電子工業(yè)出版社 ,2001. 3 白雪冰，張延林，等 M 爾濱東北林業(yè)大學(xué)出版社， 2006. 4 張佳薇，孫麗萍，等 M 爾濱東北林業(yè)大學(xué)出版社， 2003. 18 附錄 1 X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427P 1 T 21P 1 T 2 E R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R W T 115 H癈 1 1k 1V C D 1 6 0 2L M 0 1 6 p p S T A R P 1 P A C K 9 附錄 2 源程序